DE19641168A1

DE19641168A1 - Object surface measuring device

Info

Publication number: DE19641168A1
Application number: DE1996141168
Authority: DE
Inventors: Henning Dr Wolf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 1998-04-09

Abstract

The optical device provides the spatial coordinates of points on the surface of the measured object using a multi-frequency phase-shift measuring method. A projector with a light source a projection lens and a switched light valve provides a number of alternate line grids projected onto the surface of the measured object in at least 3 phase positions. The brightness of the measured object points for each projection is measured using a camera, for determining the phase position within each grid and hence the absolute phase, with calculation of the spatial coordinates using a triangulation method.

Description

Für die Gewinnung von 3D-Informationen mit strukturierter Beleuchtung nach dem Lichtschnittverfahren, dem Projektionsmoir´verfahren, dem codierten Lichtansatz etc. werden Strukturen aus einer einzelnen Linie oder mehreren parallelen Linien auf das zu untersuchende Objekt projiziert. Die an dem Objekt deformierten Linien werden nach dem stereoskopischen Prinzip mit einer oder mehreren Kameras beobachtet und mit einem Bildverarbeitungssystem ausgewertet.For the extraction of 3D information with structured lighting according to the Light section method, the projection moiré method, the coded light approach, etc. Structures from a single line or several parallel lines to the one to be examined Object projected. The lines deformed on the object become stereoscopic Principle observed with one or more cameras and with an image processing system evaluated.

Erfindungsgemäß wird ein Flüssigkristallelement (LCD) mit vielen elektrisch schaltbaren Lichtventilen, die vorzugsweise als parallele Linien ausgebildet sind (LCD-Shutter) dazu verwendet, um mehrere schaltbare Liniengitter zu projizieren, die sich in ihrer Periodenlänge unterscheiden. Die unterschiedliche Periodenlänge der Gitter wird durch das programmierte Zusammenfassen benachbarter Linien erzielt, so daß optisch eine periodische Struktur erzielt wird mit einer Periodenlänge die von einer Anzahl LCD-Linien gebildet wird. So kann man beispielsweise je 4, 6 und 8 LCD-Linien zu einer Periode zusammenfassen. Jedes dieser Gitter wird in einer oder nach dem Prinzip des Mehrfrequenz-Phasenshiftes mehreren vorzugsweise äquidistanten, Phasenpositionen projiziert. Die optische Verschiebung der Gitter in die verschiedenen Phasenpositionen wird vorzugsweise durch Umprogrammierung der LCD-Linien erzielt. Damit ist keine mechanische Bewegung der LCD-Lichtventile oder irgendwelchen anderen optischen Komponenten notwendig. Eine mechanische Verschiebung des Flüssigkristallelementes oder die Verschiebung bzw. Kippung oder Drehung anderer optischer Komponenten z. B. planparallele Platte etc. im Projektionsstrahlengang kann jedoch ebenfalls zur Phasenschiebung des Projektionsgitters verwendet werden. Die Auswertung erfolgt sinngemäß zu dem Mehrfrequenz-Phasenshiftverfahren, das aus der Interferogrammetrie bekannt ist.According to the invention, a liquid crystal element (LCD) with many electrically switchable Light valves, which are preferably designed as parallel lines (LCD shutter) used to project multiple switchable line gratings that vary in their period length differentiate. The different period length of the grids is programmed by the Combining adjacent lines is achieved so that a periodic structure is optically achieved with a period length formed by a number of LCD lines. So you can For example, combine 4, 6 and 8 LCD lines into a period. Each of these grids will preferably one or more according to the principle of multi-frequency phase shift Equidistant, phase positions projected. The optical shift of the grating in the different phase positions is preferably by reprogramming the LCD lines achieved. So there is no mechanical movement of the LCD light valves or any other optical components necessary. A mechanical displacement of the liquid crystal element or the displacement or tilting or rotation of other optical components such. B. plane-parallel plate etc. in the projection beam path can, however, also shift the phase of the Projection grids are used. The evaluation is carried out analogously to the multi-frequency phase shift method, which is known from interferogrammetry.

Da LCD-Linien zumeist scharfe Kanten aufweisen und für das Phasenshiftverfahren vorzugsweise sinusförmige Helligkeitsmodulationen erwünscht sind, kann man durch Defokussieren der Projektionsoptik, durch ein optisches Tiefpaßfilter in der Projektionsoptik /4/ oder durch eine (geringe) Verschiebung der LCD-Lichtventile um einen Bruchteil der Periode während der Belichtungszeit der Kamera eine "Verschmierung" der Kanten erzielen und die Helligkeits modulation sinusförmiger machen. Im Prinzip eignen sich jedoch beliebige periodische Kurven formen z. B. Rechteck-, Dreieck-, Trapez-Modulation etc. Man muß lediglich im Auswerte algorithmus des Phasenshiftverfahrens das z. B. im Rechner gespeicherte Modell der Kurvenform durch eine virtuelle (rechnerische) Verschiebung an die gemessenen Grauwerte jedes Pixels anpassen. Solche best-fit Verfahren sind bekannt und werden hier nicht explizit erklärt.Since LCD lines mostly have sharp edges and are preferred for the phase shift process sinusoidal brightness modulations are desired, one can by defocusing the Projection optics, through an optical low-pass filter in the projection optics / 4 / or through a (Slight) displacement of the LCD light valves by a fraction of the period during the Exposure time of the camera achieve a "smear" of the edges and the brightness make modulation more sinusoidal. In principle, however, any periodic curves are suitable shape z. B. Rectangle, triangle, trapezoidal modulation etc. You only have to evaluate algorithm of the phase shift process the z. B. stored in the computer model of the curve shape by a virtual (arithmetical) shift to the measured gray values of each pixel to adjust. Such best-fit procedures are known and are not explicitly explained here.

State of the art

Nach Zumbrunn /1/ wird ein Glasträger mit mehreren in einer Reihe angeordneten Liniengittern unterschiedlicher Periodenlänge verwendet. Die Gitter werden nacheinander durch Verschieben des Gitterträgers in den Beleuchtungsstrahlengang gebracht und mit einer Projektionsoptik auf das Objekt abgebildet. Die Auswertung erfolgt nach dem Mehrfrequenz-Phasenshiftverfahren. Die notwendige mechanische Bewegung ist verschleißbehaftet und träge.According to Zumbrunn / 1 /, a glass support with several line grids arranged in a row becomes different period length used. The grids are moved one after the other by moving the Lattice girder brought into the illumination beam path and with a projection optics on the Object depicted. The evaluation is carried out according to the multi-frequency phase shift method. The necessary mechanical movement is subject to wear and sluggish.

Die Firmen Dr. Wolf & Beck GmbH und ABW GmbH stellen seit 1989 LCD-Projektoren mit schaltbaren Linienstrukturen her. Bisher werden Oberflächenbereiche des Meßobjektes gemäß dem Verfahren "Codierter Lichtansatz" /2/ mit einer Sequenz von Linienmustern beleuchtet und die Helligkeitsinformation der einzelnen Bildelemente ausgewertet um die Liniennummer der dem Pixel zugeordneten Linie zu ermitteln. Aus der Liniennummer der Projektionslinie wird der Projektionswinkel für das Pixel ermittelt, der für die Bestimmung des Ortes des dem Pixel zugeordneten Oberflächenelementes nach dem Triangulationsverfahren benötigt wird. Wahlweise wird zusätzlich mit dem Phasenshiftverfahren dieser Projektionswinkel auf Bruchteile einer Linienbreite bestimmt /3/.The Dr. Wolf & Beck GmbH and ABW GmbH have been producing LCD projectors since 1989 switchable line structures. So far, surface areas of the measurement object are in accordance with the method "Coded light approach" / 2 / illuminated with a sequence of line patterns and the Brightness information of the individual picture elements evaluated by the line number of the Determine pixel assigned line. The line number of the projection line becomes the Projection angle for the pixel is used to determine the location of the pixel assigned surface element according to the triangulation process. Optional is additionally used with the phase shift method to project this projection angle to fractions of a Line width determined / 3 /.

Von der Firma Massen in Konstanz wird ein LCD-Projektor und das hierarchische Phasenshift verfahren eingesetzt. Ein erstes Gitter hat eine Periode, die sich über das gesamte Bildfeld erstreckt. Mit dem Phasenshiftverfahren werden z. B. acht Teilbereiche des Bildfeldes unterscheidbar gemacht. Das zweite Gitter ist um den Faktor acht feiner. Mit beiden Gittern kann man dann 64 Bereiche des Bildfensters unterscheidbar machen usw.The company Massen in Konstanz is producing an LCD projector and the hierarchical phase shift process used. A first grid has a period that extends over the entire image field. With the phase shift method z. B. eight sub-areas of the image field distinguishable made. The second grid is eight times finer. With both grids you can then 64 Make areas of the image window distinguishable, etc.

Nachteilig bei den obigen Aufnahmetechniken mit LCD-Projektoren ist es, daß nur wenige projizierte Linienmuster zur feinen Phasenbestimmung auf Bruchteile der Linienbreite verwendet werden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung hingegen werden Linienmuster für das Phasenshiftverfahren verwendet, die nur geringe Unterschieden in der Periodenlänge aufweisen, so daß alle Linienmuster nahezu mit gleicher Meßgenauigkeit zur Phasenbestimmung beitragen können.A disadvantage of the above recording techniques with LCD projectors is that only a few projected line pattern used for fine phase determination on fractions of the line width will. In the arrangement according to the invention, however, line patterns for the Phase shift method used, which have only slight differences in the period length, so that all line patterns contribute to the phase determination with almost the same measuring accuracy can.

/1/ Zumbrunn, R.: "Vorrichtung zur Vermessung der Oberfläche eines Objektes mittels Projektion von Streifenmustern", Europäische Patentschrift 0379079B2
/2/ Wahl, F.: "A Coded Light Approach for Depth Map Acquisition", 8. DAGM-Symposium, Paderborn, Springer Verlag, 1986
/3/ Wolf, H.: "Strukturierte Beleuchtung zur schnellen dreidimensionalen Vermessung von Objekten", 2. Transputer-Anwender-Treffen TAT′90, Klinikum Aachen, 1990./ 1 / Zumbrunn, R .: "Device for measuring the surface of an object by means of the projection of stripe patterns", European Patent 0379079B2
/ 2 / Wahl, F .: "A Coded Light Approach for Depth Map Acquisition", 8th DAGM Symposium, Paderborn, Springer Verlag, 1986
/ 3 / Wolf, H .: "Structured lighting for fast three-dimensional measurement of objects", 2nd transputer user meeting TAT'90, Klinikum Aachen, 1990.

Claims

1. Optical device for determining the spatial coordinates of points on the surface of objects according to the multi-frequency phase shift method, characterized in that:

with a projector which contains a light source, projection optics and a carrier with stationary switchable linear light valves,
- by switching the light valves, several line grids with slightly different period lengths are projected onto the object in chronological order,
- each of these gratings is projected in at least three phases,
the brightness of the object points to be measured for each projection with the aid of at least one camera which is at a distance from the projector (triangulation base) is recorded and optionally stored,
the phase position within each grating for each object point to be measured is determined from the detected brightness values,
- From the individual phase positions thus determined, the absolute phase is determined in a known manner for each object point to be measured, which is evaluated according to the triangulation method together with the location of the image point of the object points to be measured inside the camera in order to determine the spatial coordinates.

2. Device according to the preceding claim, characterized in that:
the phase position within the grids is determined by several projections of the grids in known phase shifts using the phase shift method.

3. Device according to the preceding claims, characterized in that:
the light valves are implemented as preferably linear areas in a liquid crystal cell, the transparent electrodes of which have the corresponding geometric structures.

4. Device according to the preceding claims, characterized in that:
the liquid crystal cell is arranged to be movable as a whole and is moved transversely to the grid lines during and / or between the recordings by a fraction of a period of the projection grid.

5. Device according to the preceding claims, characterized in that:
an optical low-pass filter is inserted into the projection beam path.

6. Device according to the preceding claims, characterized in that:
A computational model of the brightness modulation is created and the phase position of the object points to be measured within the projected grid is determined by a best-fit method from the brightness measurements of the object points from several projections with the same period length shifted transversely to the line direction.

7. Device according to the preceding claims, characterized in that:
the computational model not only determines the brightness modulation not only for a distance of the object point to be measured from the measuring system (e.g. the focal plane), but that a separate model is stored or calculated for several or all distances, or the model for several or any distances are modified and that the model adapted to the distance is used for the phase determination.

8. Device according to the preceding claim, characterized in that:
a literary procedure with gradual improvement of the parameters of the computational model using the previous measurement is used.

9. Device according to the preceding claim, characterized in that:
Dynamic shape changes or the movement of the object surface by static illumination of the object one of the grids and the observation and computational evaluation of the movement of the image of the projected grid lines in one or more cameras is carried out according to the triangulation method.